章曉亮

（作者單位：浙江傳媒學(xué)院）

3D視頻攝制技術(shù)應(yīng)用研究

章曉亮

（作者單位：浙江傳媒學(xué)院）

隨著新技術(shù)不斷發(fā)展，3D視頻除傳統(tǒng)傳播媒介外，在科技館、博物館、規(guī)劃館等這一細(xì)分市場(chǎng)也有較大需求。研究不同設(shè)備不同情景下對(duì)應(yīng)的拍攝解決方案，確定拍攝參數(shù)的范圍、景別、節(jié)奏，根據(jù)人眼舒適性有針對(duì)性進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文介紹幾種觀看3D視頻的方法。

3D視頻、攝制技術(shù)、顯示方式

影視的創(chuàng)作不僅僅可以通過(guò)新穎的故事情節(jié)來(lái)吸引觀眾，各種影視制作新技術(shù)的應(yīng)用，也賦予了更大的創(chuàng)作空間，其中3D技術(shù)對(duì)影視的影響較為深遠(yuǎn)，該技術(shù)將帶來(lái)全新的視覺(jué)體驗(yàn)［1］。

3D技術(shù)主要基于人的雙目立體視覺(jué)源于人眼的視差這一機(jī)制，由英國(guó)科學(xué)家查爾斯·惠斯通發(fā)現(xiàn)。與2D信號(hào)相比立體3D視頻信號(hào)具有更有效的視覺(jué)表達(dá)，可以使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉浸感和臨場(chǎng)沖動(dòng)。

從國(guó)際市場(chǎng)發(fā)展來(lái)看，3D市場(chǎng)占有率在持續(xù)增長(zhǎng)，部分電視臺(tái)已經(jīng)推出了3D頻道，如BSkyB、ESPN等廣播商，2010年世界懷有25場(chǎng)比賽使用3D技術(shù)轉(zhuǎn)播。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年美國(guó)生產(chǎn)了21部3D商業(yè)電影，中國(guó)生產(chǎn)了13部。

數(shù)據(jù)提供商數(shù)據(jù)顯示，在中國(guó)已上映的27部3D影片（進(jìn)口片17部+國(guó)產(chǎn)片9部）累計(jì)票房達(dá)到105億元，占所有電影總票房的42%。由此可見(jiàn)，中國(guó)觀眾對(duì)3D影片的熱愛(ài)及3D影片強(qiáng)大的吸金能力。

而在美國(guó)，電影觀眾對(duì)3D影片的熱情度正呈下降趨勢(shì)。朱梁指出，2008-2016年11月，美國(guó)3D電影的數(shù)量趨勢(shì)呈現(xiàn)先增后減，其主要原因，一批能帶來(lái)豐厚回報(bào)的3D電影的出現(xiàn)，投資方片面認(rèn)為只要是3D電影形式，就可以有錢(qián)賺，所以紛紛拍3D影片或直接2D轉(zhuǎn)3D。3D影片數(shù)量不斷增加，制作周期變短，從放映的技術(shù)來(lái)講，放映的亮度和分辨率往往不夠，影片缺少創(chuàng)意、制作水平偏低，造成電影的制作質(zhì)量下降，讓觀眾產(chǎn)生厭煩心理。甚至部分電影如《機(jī)械戰(zhàn)警》《超驗(yàn)駭客》《超體》等在北美并無(wú)3D版本，而是由2D直接轉(zhuǎn)成3D“特供”中國(guó)觀眾，影片質(zhì)量可想而知。目前，除了院線電影之外，3D視頻應(yīng)用對(duì)于科技館、博物館、規(guī)劃館等這一細(xì)分市場(chǎng)也有較大需求?，F(xiàn)在最欠缺的就是數(shù)字內(nèi)容，對(duì)3D內(nèi)容制作的研究有重要意義。

3D視頻立體效果實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)攝制技術(shù)與立體影像顯示技術(shù)結(jié)合完成。立體視頻制作的方式主要有實(shí)拍、數(shù)字合成技術(shù)、也有將2D視頻轉(zhuǎn)換成3D視頻、通過(guò)這些技術(shù)手段有效組合決定最終畫(huà)面的表現(xiàn)力和舒適度。立體影像顯示技術(shù)主要分為色差式、偏振式、主動(dòng)快門(mén)式和近眼微顯示式等，以及基于基本視差的裸眼3D顯示技術(shù)如柱狀透鏡式、光屏障式。

3D視頻的制作難度遠(yuǎn)高于普通節(jié)目制作，制作前需根據(jù)節(jié)目各項(xiàng)需求及3D拍攝的特點(diǎn)統(tǒng)籌規(guī)劃，針對(duì)3D拍攝基本規(guī)律作進(jìn)一步優(yōu)化，如草率地進(jìn)行拍攝，最終的3D節(jié)目不僅未能滿足觀眾的需要，反而給觀眾帶來(lái)視覺(jué)疲勞、頭暈?zāi)垦５炔涣挤磻?yīng)，因此有必要對(duì)3D視頻拍攝制作進(jìn)行深入研究。

1　影響立體拍攝的主要因素

對(duì)于拍攝創(chuàng)作人員最為關(guān)心的問(wèn)題，如何選擇好各類攝制設(shè)備及相關(guān)軟件，解決攝制過(guò)程需面對(duì)的核心技術(shù)問(wèn)題。在攝制過(guò)程中需要結(jié)合相關(guān)原理及實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，分析影響立體拍攝的影響因素，得出立體拍攝策略以及主要參數(shù)調(diào)整方法。

1.1立體影像人眼交匯點(diǎn)的確定及雙目視覺(jué)舒適感

雙目聚焦某一物體時(shí)，視線交匯，大腦通過(guò)中間匯聚的角度測(cè)出相應(yīng)距離，從而會(huì)產(chǎn)生立體感。當(dāng)觀察距離遠(yuǎn)處單個(gè)物體時(shí)，匯聚角度變小，觀察距離較近的單個(gè)物體時(shí)，匯聚角度會(huì)變大。當(dāng)多個(gè)物體出現(xiàn)時(shí)，人眼對(duì)多個(gè)物體都有不同匯聚點(diǎn)，由此形成人眼強(qiáng)迫視線交匯產(chǎn)生的空間也就是立體空間。從眼睛到物體之間距離產(chǎn)生立體影像［2］。

相對(duì)攝像機(jī)而言，模擬人眼的視覺(jué)錯(cuò)，根據(jù)物體遠(yuǎn)近匯聚不同角度。立體感知深度測(cè)試也是立體成像效果的關(guān)鍵。

物體的水平視差指相同物體上左右眼視差對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)的水平距離。如果把物體簡(jiǎn)稱為B，B左眼視差在屏幕上對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)為l，右眼視差在屏幕上對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)為r，左右（l，r）像素之間距離為P，左右眼間距為D，眼睛到屏幕的觀看距離為L(zhǎng)，立體感知深度為V，那么立體感知深度就可以用公式表示為：

V=L*P/P-D

當(dāng)l在r的左側(cè)時(shí)，P為正值，觀看距離L和雙眼間距D固定，P≤D，因此V值為負(fù)數(shù)，該物體具有正視差，表明物體位置位于屏幕的后方，如圖1所示。

圖1　l在r的左側(cè)

當(dāng)l在r的右側(cè)，像素點(diǎn)左右互換位置時(shí)，P值為負(fù)，觀看距離L和雙眼間距D固定，因此V值為正數(shù)，此時(shí)物體具有負(fù)視差，表明物體位置位于屏幕的前方，如圖2所示。

圖2　l在r的右側(cè)

當(dāng)l和r匯集到一點(diǎn)上時(shí)，P值等于0，觀看距離L和雙眼間距D固定，計(jì)算得出V值為等于0，該物體零視差，表明物體位置位于屏幕上。

圖3　l和r匯集到一點(diǎn)

拍攝前需要對(duì)立體深度提前估算，確定對(duì)正負(fù)視差的大至范圍，確保觀眾不受視覺(jué)疲勞的影響。根據(jù)《3D電視技術(shù)指導(dǎo)意見(jiàn)》和電視臺(tái)的制作規(guī)范圖像中主體部分的立體深度在3%的閾值，即正視差在屏幕上左右眼成像間距小于高清電視畫(huà)面水平方向的2%，負(fù)視差小于高清電視畫(huà)面水平方向的1%。短期沖擊效應(yīng)分別不超過(guò)4%和2.5%［4］。具體實(shí)際拍攝過(guò)程可通過(guò)使用3D立體深度計(jì)算軟件，輸入鏡頭的焦距；攝影機(jī)成像元件的尺寸；畫(huà)面中拍攝物體到攝影機(jī)的距離；成片播放銀幕的大小等，可以直接計(jì)算出推薦的軸距和會(huì)聚數(shù)值，也有計(jì)算軟件會(huì)提供成像的最大正負(fù)視差值［5］。

1.2立體拍攝器材

3D前期拍攝主要有兩種形式，一種是并列式，一種是垂直反射式，垂直反射鏡方式是將對(duì)偶攝像機(jī)垂直擺放，利用半透明反射系統(tǒng)使對(duì)偶攝像機(jī)獲取視頻信號(hào)。最大優(yōu)勢(shì)避免受空間與場(chǎng)地不足，裝置操作上比較復(fù)雜，需要3D拍攝采用兩個(gè)攝像機(jī)并列，會(huì)聚角調(diào)節(jié)范圍相對(duì)比較廣，但受到鏡頭之間物理距離的限制，有些鏡頭不容易拍攝。

直角機(jī)位拍攝法。會(huì)聚法拍攝中有一種直角機(jī)位拍攝法，對(duì)偶攝像機(jī)垂直擺放，利用半透明反射系統(tǒng)使對(duì)偶攝像機(jī)獲取視頻信號(hào)。直角機(jī)位拍攝法的裝置操作比較復(fù)雜，需要將一片半透明鏡安裝在特質(zhì)的金屬框架中，在半透明鏡片兩側(cè)按照直角機(jī)位安放攝像機(jī)，一臺(tái)攝像機(jī)在半透明鏡后方拍攝左眼圖像，另一臺(tái)攝像機(jī)在半透明鏡前方拍攝右眼圖像。由于操作復(fù)雜，裝置龐大，因此利用直角機(jī)位拍攝法拍攝之前需要進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)調(diào)整。

并列式與垂直反射式拍攝方式從使用成本與效率、系統(tǒng)硬件成本上來(lái)說(shuō)，對(duì)于剛起步，初步探索的單位，采用更容易兼顧平臺(tái)與立體拍攝快速切換的模式。

消費(fèi)級(jí)的立體拍攝可以借助3D軟件來(lái)完成如景深相機(jī)等軟件拍攝最終進(jìn)行合成。

1.3具體拍攝注意點(diǎn)

1.3.1鏡頭要素的構(gòu)成

遠(yuǎn)景等以空間景物為拍攝對(duì)象，表現(xiàn)其范圍和廣度，主要用來(lái)表現(xiàn)具有空間關(guān)系的景別。一般用來(lái)展示大的空間、環(huán)境、交代背景，展示事件的規(guī)模和氣氛。

遠(yuǎn)景相對(duì)而言具有較強(qiáng)的縱深感，更具有立體化、大景深特別，在場(chǎng)景布置上空間層次一定要豐富，前景景物、主體及背景突出。在3D拍攝上可以更多的使用該方法。

近景相對(duì)而言畫(huà)面主體取景胸部以上，占據(jù)畫(huà)幅面積一半以上，而特寫(xiě)與大特寫(xiě)更多拍攝物體細(xì)節(jié)和人物瞬間神態(tài)更在乎表情變化，視覺(jué)上具有強(qiáng)制性觀眾強(qiáng)制拉近去看，相對(duì)而言持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，3D拍攝最終成片使用上相對(duì)較少。

立體圖像相比二維圖像多了縱深軸的維度，需要針對(duì)縱深軸特點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)圖、對(duì)復(fù)雜場(chǎng)面進(jìn)行有效調(diào)度，滿足各種視差需要就成為關(guān)鍵。

景別控制始終圍繞觀眾的興趣點(diǎn)，客觀真實(shí)環(huán)境縱深處的人物距離遠(yuǎn)近需要與環(huán)境景物的大小對(duì)比相協(xié)調(diào)往往都是在觀眾的視線方向行進(jìn)，沖出銀幕給觀眾一個(gè)措手不及，或者深入銀幕縱深處提升觀眾的好奇心。

在確定景別拍攝時(shí)更需要注意3D邊框效應(yīng)，避免拍攝對(duì)象處于邊框效應(yīng)范圍之內(nèi)。

邊框中上邊框影響巨大，特寫(xiě)處于較明顯位置、顯著的空間位置，寬銀幕特寫(xiě)“不留頭”的習(xí)慣，利用視覺(jué)特性自動(dòng)補(bǔ)足被卡在邊框以外人物的額頭［3］。而在3D影視，創(chuàng)作者的選擇是讓人臉出屏，額頭的補(bǔ)足還處在屏幕上，有空間的錯(cuò)位，那么比較嚴(yán)重的邊框效應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)。

當(dāng)邊框與兩幅不同的畫(huà)面相互交匯時(shí)，由于拍攝角度的差異，必然會(huì)導(dǎo)致在邊框附近，一幅畫(huà)面中的一部分內(nèi)容在另外一個(gè)畫(huà)面中是被遮掩的。

相對(duì)較特別的鏡頭通過(guò)快速出畫(huà)或入畫(huà)來(lái)完成。避免長(zhǎng)時(shí)間在邊框效應(yīng)范圍內(nèi)停留。

1.3.23D影片節(jié)奏的總體把握

影片節(jié)奏上節(jié)奏是人們對(duì)事物運(yùn)動(dòng)變化的總的感受。把握節(jié)奏的一般要求是：注重運(yùn)動(dòng)，富于變化，保持協(xié)調(diào)。運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生速度，速度形成節(jié)奏，節(jié)奏是貫穿節(jié)目始終的一種連續(xù)而又有間歇的運(yùn)動(dòng)相對(duì)舒緩，便于3D信息的接收。延長(zhǎng)鏡頭時(shí)間的做法，表現(xiàn)了動(dòng)作的逼真性與完整性。

節(jié)奏主要有鏡頭長(zhǎng)度、鏡頭的運(yùn)動(dòng)節(jié)奏及畫(huà)面主體物的運(yùn)動(dòng)節(jié)奏。按3D立體影片拍攝制作鏡頭長(zhǎng)度分，主要分長(zhǎng)鏡頭與短鏡頭。一般來(lái)說(shuō)，鏡頭運(yùn)動(dòng)節(jié)奏長(zhǎng)鏡頭相對(duì)緩慢；短鏡頭節(jié)奏相對(duì)較快。

鏡頭的長(zhǎng)度更需要與畫(huà)面內(nèi)容相適應(yīng)。需要分析和靈活應(yīng)用鏡頭長(zhǎng)度帶來(lái)節(jié)奏變化，恰當(dāng)?shù)厝∩徵R頭長(zhǎng)度與剪輯點(diǎn)，增強(qiáng)鏡頭畫(huà)面內(nèi)容的表現(xiàn)力。

除控制鏡頭長(zhǎng)度外，在3D拍攝對(duì)鏡頭內(nèi)的主體物運(yùn)動(dòng)也需要進(jìn)一步控制。一般來(lái)說(shuō)，主體物的運(yùn)動(dòng)速度快，節(jié)奏就快；主體物的運(yùn)動(dòng)速度慢，節(jié)奏就慢。此外，由于內(nèi)容情節(jié)節(jié)奏和表現(xiàn)形式節(jié)奏的整體節(jié)奏也能起到較大的影響。

1.3.3拍攝對(duì)象與技巧上避免以下幾類情況

拍攝物體不能全部為純色，如藍(lán)天、白墻；拍攝物體細(xì)致網(wǎng)格圖像避免與攝像機(jī)CCD重疊引起摩爾紋效應(yīng)，帶細(xì)密方格子的圖像。拍攝物體特別細(xì)微，不易分辨的如粒子，灰塵；避免文字在畫(huà)面物體空間位置和遮擋關(guān)系的錯(cuò)誤。

1.3.4拍攝鏡頭選擇

鏡頭選擇上需要避免廣角鏡頭與長(zhǎng)焦鏡頭，3D會(huì)聚以免產(chǎn)生太遠(yuǎn)太扁的效果。廣角拍攝使被攝人物在屏幕上顯得更遙遠(yuǎn)，而長(zhǎng)焦鏡頭拍攝會(huì)過(guò)度拉近距離，造成畫(huà)面扁平化。

研究不同情景來(lái)確定相應(yīng)的解決方案：太小的物體、太遠(yuǎn)的場(chǎng)景、前后景距離過(guò)大等因素。

研究確定拍攝參數(shù)的范圍，攝像機(jī)瞳距對(duì)應(yīng)設(shè)置，如在類似人眼區(qū)段拍攝設(shè)置；若拍攝遠(yuǎn)近景選擇瞳距設(shè)置。使用鏡頭焦距增減對(duì)瞳距的影響。

會(huì)聚角精確計(jì)算，根據(jù)會(huì)聚面的距離得出會(huì)聚角的近似數(shù)值。對(duì)調(diào)整設(shè)定支架參數(shù)及監(jiān)視器上的視差。3D計(jì)算器可以比較方便得出數(shù)據(jù)。

2　觀看方法

現(xiàn)在幾乎所有的3d電影都是左右格式或者上下格式的，左右格式和上下格式只是3D立體電影的一種存儲(chǔ)方式，和拍攝方式，播放設(shè)備無(wú)關(guān)，觀看方式有以下幾種。

第一，使用3D播放設(shè)備，佩戴與之配套的眼鏡直接觀看。目前，3D播放設(shè)備包括3D電視、3D顯示器、3D投影儀和3D觀屏鏡等，主要方式偏振片與主動(dòng)快門(mén)式兩類。主要設(shè)備都可以直接播放左右格式的3D電影，在相關(guān)的軟件中設(shè)置一下參數(shù)或者直接硬件合成，左右格式的3D電影就會(huì)自動(dòng)合成稍帶重影的一個(gè)畫(huà)面，通過(guò)3D眼鏡，就可以體驗(yàn)出屏效果了。

主動(dòng)快門(mén)式也就是時(shí)分技術(shù)通過(guò)支持3D Vision立體顯示的120 Hz掃描屏幕與支持3D眼鏡完成。通過(guò)與高刷新率屏幕相配合使用，實(shí)現(xiàn)3D效果。

第二，在普通播放設(shè)備，轉(zhuǎn)成紅藍(lán)3D格式觀看。軟件設(shè)置：顯示方式→分色立體→優(yōu)化立體，然后直接戴上紅藍(lán)3D眼鏡就會(huì)有出屏效果了也可以即時(shí)轉(zhuǎn)換并觀看的。

第三，直接遮擋來(lái)完成。左右3D方法通過(guò)遮擋中間視線進(jìn)行疊加，視線集中可以完成三維的效果合成。通過(guò)用手掌豎放兩眼中間進(jìn)行遮擋，左右眼各分看視頻，將目光離散后匯聚到一點(diǎn)上。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練觀察兩張照片可以直接顯示成一張立體的圖片。

3　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)視差原理，利用現(xiàn)有小型攝像機(jī)或單反相機(jī)來(lái)模擬人的立體視覺(jué)。構(gòu)建簡(jiǎn)單便攜的立體拍攝平臺(tái)（平行式及會(huì)聚式）對(duì)攝像空間坐標(biāo)系（x，y，z）及顯示空間進(jìn)行有效的還原。處理實(shí)際拍攝空間中前景、主體、背景之間在攝像機(jī)光軸方向的距離，計(jì)算合理的拍攝距離、攝像機(jī)間距，及產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)乃脚臄z視差。左右兩路立體視頻顯示處理，分別能在分色、偏振、分時(shí)等不同立體模式下正常顯示。

[1]王瓊.電影《阿凡達(dá)》3D特效技術(shù)解析[J].電影文學(xué),2013(13).

[2]孫延祿從模擬人眼立體視覺(jué)功能的差異看3D影像技術(shù)的類別與未來(lái)[J].現(xiàn)代電影技術(shù),2012(1).

[3]邱章紅,裴之田.3D電影鏡頭的邊框效應(yīng)[J].中國(guó)傳媒科技,2016(2).

[4]李新.小成本3D視頻拍攝編輯研究[D].濟(jì)南:山東師范大學(xué),2014

[5]王愛(ài)紅,王瓊?cè)A,李大海,等.立體顯示中立體深度與視差圖獲取的關(guān)系[J].光學(xué)精密工程,2009(2).

2013年浙江廣播電視技術(shù)研究所科研項(xiàng)目“3D視頻攝制核心技術(shù)應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2013009）。

章曉亮（1981-），男，浙江蘭溪人，高級(jí)工程師，研究方向：視頻攝制技術(shù)。